CN103676765A

CN103676765A - 一种高精度多功能功率变换主控制系统

Info

Publication number: CN103676765A
Application number: CN201310712233.XA
Authority: CN
Inventors: 李威; 邢云岭; 王浩; 于勤录
Original assignee: You Ke New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: You Ke New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种高精度多功能功率变换主控制系统，包括：可编程门阵列集成电路、主控制器、模数转换器、闪存存储器、存储器、左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器、状态显示器；所述存储器为铁电存储器；本发明的优点是：实现了大量数据快速收发，确保了数据传输过程中的稳定性与可靠性。这样也确保了整体设备的安全性；实现了电压、电流的采样的同步性。通过用FPGA内部实现数字低通滤波以及数字抽取滤波，去除了采样过程中的高频热噪声以及量化噪声，实现了高精度采样。使用DSP对采样电压、电流进行数据处理，其强大的运算能力和高速性能，实现了剔除采样样本粗大误差、能量、容量的实时计量，使计量更准确。

Description

一种高精度多功能功率变换主控制系统

技术领域

本发明涉及一种高精度多功能功率变换主控制系统,属于充电机、电池充放电设备等电力电子设备技术领域。

背景技术

目前，功率变换控制器功能主要是转发上位机的协议指令，并反馈功率输出级状态，功能比较单一。而功率变换器需要的反馈电压、电流则需通过功率输出级通过CAN总线传输上来，这样将严重影响时效性能，并且目前的功率变换器只适用于单机运行状态下的协议转发及流程控制，并没有将整机并联考虑进来。同时现有的功率变换主控制板并没有监控设备运行时的温度变化，在设备开机就驱动风机转动，这样在设备停机时会造成不必要的浪费。

目前，传统现有的电池测试设备普遍面临总电压、总电流测量不同步，造成测量数据不一致，从而根据电压、电流计算功率和瓦时的数据无法真实反应电池组的实际状态。另一方面，由于成组电池串联的数量变化范围很大，造成需要测量的总电压波动范围宽（0V-1000V），而传统现有的测试设备在宽电压范围内很难达到全量程范围内高精度的指标，甚至不满足宽电压范围测量的需求。此外，由于涉及到高压、大电流的场合都要进行隔离设计，常规的采样电路和控制电路的电气隔离设计复杂，环节众多，影响了测量的线性度，破坏了既有AD芯片的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的高精度多功能功率变换主控制系统。

本发明的目的是实现充放电设备的整个充放电的流程控制，状态变换及显示，参数微调，故障互锁，工步截止条件扫描；实现上位机功率设定指令下发至功率输出级，以及实时上传功率输出级的运行状态，故障等信息。实现对充电机或电池充放电设备输出的宽电压，大电流进行高精度同步隔离采样。同时对输出功率，容量，和能量进行高精度计量。实现充放电设备机柜的多点温度采样，通过采样温度来控制风机功率，并且在温度过高时予以过温保护。实现不同充放电设备间的并联均流。

本发明包括：可编程门阵列集成电路（FPGA）、主控制器（DSP，数字处理芯片）、模数转换器（AD）、闪存存储器、存储器、左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器、状态显示器；所述存储器为铁电存储器。

所述可编程门阵列集成电路（FPGA）与主控制器（DSP，数字处理芯片）连接；所述左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器分别与FPGA连接；所述DSP分别与模数转换器（AD）、状态显示器、闪存存储器、存储器、上位机、下位机连接。

本发明采用两路CAN网络分别与外部的上位机，以及充放电内部功率输出级进行通信。本主控制器DSP作为中位机，接收上位下发的充放电指令信息，并按照一定逻辑将指令参数下发至下位机，变换功率输出级的输出电压、电流。同时，下位机运行状态将会内部CAN网络实时上送。同时根据采样信息对下位机指令进行微调控制，达到精准输出的目的。并且，当通讯出现问题时，利用继电器输出硬件信号，控制功率输出级停机，及时保护设备安全。

所述主控制器DSP还利用NXP的SJA1000独立CAN控制器扩展出第三路CAN网络CAN3进行设备之间并联通讯，达到设备并联恒流充电式均流效果。

本发明通过DSP的强大外设利用三路CAN网络实现了与上位机、功率输出级之间的良好的数据交互、流程控制、状态反馈、故障保护、信号采样、指令微调以及设备间并联的数据交互。同时实现了宽电压、大电流全量程范围内同步隔离采样的高精度测量，通过同步隔离采样电压、电流信号，基于DSP数学算法及数据处理算法实现了高精度的功率，容量和能量的计量。

本发明的优点是：

1.通过DSP的CAN外设实现了大量数据快速收发，在10ms之内发送多帧数据，并采用CAN外设的提供的检错机制，确保了数据传输过程中的稳定性与可靠性。这样也确保了整体设备的安全性。

2.利用AD7705差分模数转换器和AQW212光继电器实现充放电设备内的多点温度采样，由于T热电偶可采集到-100℃～400℃内的温度变化，满足设备运行时的最高，最低温度采样，为过温保护提供了可靠的数据。

3.利用闪存存储器，对系统运行时产生的数据进行备份，一旦运行时监控上位离线，导致数据无法及时上传，利用闪存存储器备份，可以实现数据掉电不丢失。

4.通过FPGA控制Σ-Δ调制器启动采样，实现了电压、电流的采样的同步性。通过用FPGA内部实现数字低通滤波以及数字抽取滤波，去除了采样过程中的高频热噪声以及量化噪声，实现了高精度采样。

5.使用DSP对采样电压、电流进行数据处理，其强大的运算能力和高速性能，实现了剔除采样样本粗大误差、能量、容量的实时计量，使计量更准确。

6.本发明满足了宽电压、大电流的全量程外围内高精度采样要求。实现了电压0～1000V，误差0.2V，电流0～1000A范围内误差0.1A，电压电流同步隔离采样保证了计算的功率、容量和能量的有效性，真实地反映了功率输出级的输出状态，其中功率的误差为0.02W，容量精度为0.3%，能量精度为0.5%。

附图说明

图1是本发明所述一种高精度多功能功率变换主控制系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1所示，本发明包括：可编程门阵列集成电路（FPGA）、主控制器（DSP，数字处理芯片）、模数转换器（AD）、闪存存储器、存储器、左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器、状态显示器；所述存储器为铁电存储器。

本发明的主控制器DSP采用德州仪器公司型号为TM320F28335的DSP数字信号处理器。该型号DSP具备高速实时运算能力，指令周期为6.67ns，工作频率为150MHz，可以满足高速信号处理要求，以及高速，高效的计算能力。同时该型号DSP具备丰富的外设和GPIO（通用输入/输出），方便扩展外部器件。

本发明采用AD公司的AD7705模数转换器作充放电设备多点温度采样芯片，该芯片是Σ-Δ型全差分高精度模数转换器。温度传感器采用T型热电偶，测量温度范围可在-100℃～400℃，测量精度为0.5℃。并利用光继电器AQW212切换多路温度采样通道。

所述Σ-Δ调制器采用AD公司的型号为AD7401的Σ-Δ调制器作为充放电设备的输出电压、电流采样芯片。该型号模数转换器采用了先进的Σ-Δ模数转换技术，利用过采样提高模拟采样精度以及优化了隔离措施，简化了采样电路隔离设计的中间环节，确保采样的高线性度，从而满足了在宽电压、大电流在全量程范围的电压、电流、功率、容量、能量测量、计算的高精度要求。同时利用Altera公司的cycloneII系列的FPGA做模数转换器的后级的数字低通滤波和抽取滤波，滤除模拟采样中的高频分量，从而提高采样精度，减少采样误差。所述主控制器DSP通过光隔离开关实现对采样电路档位的切换，电压通过电阻分压分档，电流通过差分运放分档，此外本发明增加了硬件看门狗确保了不正常工作时的复位，最后，系统测量的容量、能量将会储存在铁电存储器中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种高精度多功能功率变换主控制系统，其特征在于，包括：可编程门阵列集成电路FPGA、主控制器、模数转换器、闪存存储器、存储器、左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器、状态显示器；

所述可编程门阵列集成电路FPGA与主控制器连接；所述左Σ-Δ调制器、右Σ-Δ调制器分别与可编程门阵列集成电路FPGA连接；所述DSP分别与模数转换器、状态显示器、闪存存储器、存储器、上位机、下位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度多功能功率变换主控制系统，其特征在于，所述主控制器采用DSP数字处理芯片。

3.根据权利要求1所述的一种高精度多功能功率变换主控制系统，其特征在于，所述存储器为铁电存储器。